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1. Firma Lothar Ebert, Thomas Trunz, Steuer- und Regeltechnik, 7808
Waldkirch i. Br., Am Kobach 9 2. Firma M. Lehmacher & Sohn GmbH, Maschinenfabrik,
5215 Mondorf Üb. Troisdorf "Elektronisch arbeitender Temperaturregler" Die Erfindung
bezieht sich auf einen elektronisch arbeitenden Temperaturregler, bestehend aus
stellgrößenabhängig betätigbaren Heizelementen aines Heizkreises zur Beheizung eines
die Neßstellen enthaltenden Raumes, insbes. einer Produktionsanlage, an den Meßstellen
angeordneten Temperaturfühlern (Thermoelementen, temperaturabhängigen Widerständen
o. dgl.) zur Umformung der Meßstellentemperatur in einen analogen elektrischen Temperatur-Istwert,
einem Sollwert-Steller, einer die Soll-Istwert-Differenz bildenden Vergleichsschaltung
sowie einem von der Regelabweichung angesteuerten Verstärker mit Rückführung und
nachgeschalteter erster Leistungs-Schaltstufe
zur stellgrößenabhängigen
Ansteuerung der Heizelemente.
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Derartige Temperaturregler haben sich als meßwerklose elektronische
Temperaturregler schr bewährt. Im allgemeinen besteht der Meßkreis aus einem integrierten
Schaltkreis in der Schaltung eines Differenzverstärkers.
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der damit ein hohes MaB an Funktionssicherheit bietet.
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Der Regler hat zumeist ein PID - Verhalten, so daß außer der Soll-Temperatur
keine weitere Einstellung erforderlich ist. Das Regelverhalten wird durch die Soll-Istwert-Differenz
und den Temperatur-Anstieg an der Meßstelle bestimmt. Perner bleten derartige Temperaturregler
die Möglichkeiten und Vorteile, die gesamte Schaltung in g3-drucktor Technik aufzubauen,
das Ausgangs-Relais steckbar und leicht auswechselbar anzuordnen und durch sehr
hohen Eingangs-Widerstand des Reglers auf einen Leitungsabgleich zu verzichten.
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Bei derartigen elektronischen Tem.peraturreglern besteht das Bedürfnis
einer Grenzwertüberwachung und einer Überwachung der Temperaturfühler. An sich ist
es bereits bei elektrischen Reglern für die chemische Industrie in Einschubbauweise
bekannt (Siemens - Zeitschrift 1967, 3. 489 - 492), auf der Frontseite einstellbare
Grenzwertmelder anzuordnen, welche die Regelabweichung überwachen und bei Überschreiten
des eingestellten Wertes Signal geben. Hierbei gelangt der Regelabweichungszeiger,
nach
oben oder unten ändernd, mit einer Marke des Grenzwertmelders in Kontakt, wobei
jeweils ein Leichtfeld zur Grenzwertanzeige der Regelabweichung aufleuchtet. Dieser
bekannte Regler weist damit einen meßwerkbehafteten Grenzwertmelder auf, welcher
durch die Erfindung vermieden werden soll.
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Ferner ist es bei Meßumformern ftir elektrische Bingangsgrößen, d.h.
dem eigentlichen Regler vorzuschaltenden Vorstufen, bekannt (Siemens - Zeitschrift
1964 S. 424 - 426), zur Uberwachung des Thermoelementbruches dem Meßverstärker einen
Kippverstärker nachzuschalten, durch welchen ein Signalrelais betätigbar ist. Eine
Hilfsspannungsquelle liegt Uber einen hochohmigen Widerstand parallel zur Thermoelement-Schleife.
Im normalen Betrieb ist die Hilfspannung durch das Thermoelementes praktisch kurzgeschlossen,
während beim Bruch des Thermoelementes die Hllfaspannung wirksam wird und den magnetischen
Meßverstärker soweit übersteuert, daß der xippverstärker aufgesteuert wird und das
Signalrelais betätigt. Boi diesem bekannten Meßumformer ist damit eine gesonderte
Hilfsspannungsquelle mit Verstärker lediglich zur Thermoelementbrauch-Überwachung
vorgesehen, die - da sie Ja dem eigentlichen Regler vorgeschaltet ist - z1lr Grenzwertüberwachung
nicht herangezogen werden kann.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen elektronisch arbeitenden
Temperaturregler zu schaffen, der sowohl einen ießwerklosen Grenzwertmelder enthält
als auch die Uberwachung des Temperaturfühler-Ausfalls ermöglicht, bei dem Jedoch
für diese beiden Funktionen lediglich eine zusätzliche Schalteinheit erforderlich
ist.
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Gegenstand der Brfindung ist nuniohr ein elektronisch arbeitender
Teiperaturregler der eingangs näher definierten Art itt Grenzwertmelder und Überwachung
des Te.peraturfühlerbruches. Die Erfindung besteht darin, daß an die Vergleichsschaltung
ein gesonderter Überwachungskanal zur Grenzwertüberwachung der ihm zugeführten Soll-Istwert-Differenz
mit Verstärker und nachgeschalteter zweiter Leiatungs-Schaltsture angeschlossen
ist, welcher bei Ausfall der Heizelemente oder der Temperaturfühler einen externen
Sicherheits-Schaltkreis zur Abgabe von Warnsignalen und/oder Abschaltung der Produktionsanlage
betätigt, Der Erfindung liegt demit die Uberlegung zugrunde, daß sowohl beim Ausfall
(Versagen, Bruch oder Kurzschluß) der Temperaturfühler als duch bei eine. Ausfall
der Heizelemente an der Vergleichsschaltung, die in der Regel als Brückenschaltung
ausgeführt ist, ein einen einstellbaren Grenzwert überschreitendes Signal abgenommen
werden kann, mit welches der Überwachungskanal und damit seine Leistungsschalstufe
aussteuerbar
sind. Die Leistungs-Schalstufe betätigt im Störungsfalle
zweckmäßig ein oder mehrere flelais. Der Ausgangskontakt dieses Relais kann damit
zur StLllsetzung der Produktlonsanlage oder maschine im Störungsfalle eine gesetzt
werden. In vielen Fällen ist eine befriedigende überwachungsfunktions bereits dann
zu erfUllen, wenn ein einstellbarer Wert der Untertemperatur vorgesehen wird, der
s.B. von ca. - 1 bis - 15 % Untertemperatur eingestellt werden kann. Wird bei Erreichen
der eingestellten Untertemperatur die Produktionsanlage durch den Überwachungskanal
stillgesetzt, so kann umgekehrt durch den Überwachungskanal auch ein automatisches
Einschalten der Maschine dadurch erreicht werden, daß erst bei Erreichen der eingestellten
Solltemperatur die Anlage oder raschine zu Laur freigegeben wird. Der Sicherheitsschaltkreis
des die Produktionsanlage an- bzw. abschaltenden Schaitrelais kann noch ergänzt
werden durch eine Warnsignalanlage, die ein akustischea oder optisches Signal im
Störungsfall gibt, wobei die Anlage dann wieder in Gang gesetzt werden kann, wenn
der Fehler beseitigt int. Bei kleineren Anlagen kann u.U. auch alleine eine Warnsignalanlage
im Sicherheitsschaltkreis genügen.
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Die mit der Ertindung erreiehbaren Vorteile sind vor allem darin zu
sehen, daß es sich um eine normale Regelschaltung ilt Relais- oder Impulsausgang
mit zusätzlicher Überwachung handelt, durch welche das Verhalten den Regel
kanals
nicht verändert wird. Es wird also streng getrennt zwischen der eigentlichen Regel
funktion und der Überwachung. Der Überwachungskanal realisiert zwei Hauptfunktionen,
nämlich die Heizungs- und Temperaturfühlerüberwachung, und gestattet, wie erwähnt,
eine Automatisierung der Anlage.
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In Übereinstimmung mit dem vorstehend Gesagten besteht eine bevorzugte
AusfUhrungsform der Erfindung darin, daß bei Ausfall der Heizung und dementsprechenden
Abfall der Meßstellentemperatur die in der Vergleichs schaltung gebildete Soll-Istwert-Spannungsditferenz
einen im Überwachungskanal einstellbaren Minimalwert unterschreitet bzw. Maximalwert
überschreitet und dadurch der externe Sicherheitsschaltkreis betätigbar ist. Fur
den Einschaltvorgung ist vorteilhafterweise die Anordnung derart getroffen, daß
beim Einschalten des Temperaturreglers die Produktionanlage durch den Überwachungskanal
erst dann einschaltbar ist, wenn aufgrund der durch den Regelkreis in Gnn8 gesetzten
Heizung der Temperatur-Istwert in den Regelbereich (Bereich oberhalb eines unteren
und ggfs. unterhalb eines oberen Temperaturgrenzwertes) gelangt ist.
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Bs kann Jedoch nicht nur ein Fehler in den Heizelementen auftreten,
sondern auch die Temperaturfühler können defekt sein. Gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung ist
deshalb vorgesehen, daß die Vergleichsschaltung
so ausgelegt ist, daß bei Bruch der Temperaturfühler und dementsprechendem Wegfall
der Fühlerspannung am Eingang des Regelverstärkers eine Übertemperatur vortäuschende
regelabweichung ansteht, durch welche die Heizung abschaltbar ist, und am Eingang
des Überwachungskanals eine Regellabweichung zur Betätigung des externen Sicherheitsschaltkreises
ansteht.
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Anhand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung wird lm
folgenden die Erfindung noch näher beschrieben und die Wirkungsweise erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild den Temperaturregler
nach der Erfindung mit Uberwachungskanal; Fig. 2 ein detaiilierteres Schaltbild
für den Temperaturregler, ous welchem die Vergleichsschaltung und die Zuordnung
des Überwachungskanals zum eingentlichen Regler näher ersichtlich sind, wobei die
Schaltverstärker lediglich symbolisch und durch ihre Anschlußklemmen dargestellt
sind.
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Der in Figur 1 dargestellte elektronisch arbeitende Temperaturregler,
der als Zweipunktregler arbeitet, dient zur Betätigung der Heizolemente eines schematisch
bei H angedeuteten Heiskreises, durch welchen ein die Temperaturmeßstellen enthaltender
Raum einer nicht näher dargestellten Produktionsanlage beheizbar ist. An den Mestellen
dieses Raumens sind ein oder mchrere durch TH symbolisierte Thera:oelementcala Temperaturfühler
angeordnet, welche die Meßstellentemperatur in einen analogen elektrischen Temperatur-Istwert
umformen. Statt der dargestellten Thermoelemente TH könnten naturgemäß auch temperaturabhängige
Widerstände, wie Heiß- oder Kaltleiter, eingesetzt sein. Der Temperatur-Istwert
der Temparaturfühler Th wird dem einen Eingang einer Vergleichsschaltung V - als
Brückenschaltung symbolisiert - zuge fuhrt, und dem anderen Eingang dar Vergleichsschaltung
wird der Temperatursollwert von einem Sollwertsteller So in Form eines Potentiometers
zugeführt, wobei innerhalb der VergLeichsschaltung die Sollwert-Istwert-Differenz
gebildet wird und diese Regelabweichung zur Ansteuerung eines der Vergleichsschaltung
V nachgeschalteten Verstärkers Al dient. Durch die verzögernd einsetzende nach gebende
Rückführung # vom Ausgang des Vorstärkers Al zu dessen Eingang wird dem Temperaturregler
ein PID-Verhalten gegeben. Dem Verstärker Al ist eine Leistungsschaltungstufe S1
zur stellgrbflenabhUngigen Ansteuerung der Heizelemente des Heizkreises H nachgeschaltet,
wobei durch die Schaltstufe
S1 bei Untertemperatur Uber das Relais
Rel die bei kl angedeuteten Kontakte des Heizkreises schließbar sind.
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wogegen bei Erreichen der Solltemperatur das Relais R1 im Sinne einer
Öffnung der Kontakte kl ansteuerbar ist.
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Es ist nun erwtinscht, daß bei Ausfall der Heizelemente die Produktionsanlage,
z.B. ein durch einen Ofen laufendes Fließband, abgeschaltet wird, ferner, daß die
Produktionsanlage nach Beendigung der Vorhetzzeit bzw. Erreichen den Temperatur-Sollwertes
eingeschaltet wird. Außerdem müssen aus Sicherheitsgründen Maßnahmen getroffen sein,
die bei einea Versagen der TemoeraturfUhler Th den Heizkreis H und die Produktionsanlage
abschalten. Erfindungsgemäß ist nun hierzu an die Vergleichsschaltung Y ein gesonderter
Überwachungskanal Ü zur Grenzwertüberwachung der ihm über Leitungen 11 zugeführten
Soll-Istwert-Differenz mit Verstärker A2 und nachgeschalteter zweiter Ieistungsschaltstufe
52 angeschlossen. Dieser Überwachungskanal U betätigt bei Ausfall der Heizelemente
oder der Temperaturfühler Th einen externen Sicherheitsschaltkreis SS zur Abgabe
von Warnsignalen und/oder Ab-chaltung der nicht dargestellten Produktionsanlage.
Hierzu ist von der zweiten Leistungsschaltstufe 82 ein Relais Re2 mit Kontakten
k2 betätigbar, wobei ebenso wie bei den Kontakten kl Jeweils nur 1 Kontakt dargestellt
tat, Jedoch auch mehrere Kontakte vorhanden sein können. Mit N ist ein Natzteil
bezeichnet, welches über Leitungen 12 und weitere nicht nöher dargestellte Stromversorgungsleitungen
zur
Stromversorgung der einzelnen Bausteine des Uberwachungskreises V und der Ubrigen
Bausteine des Reglers R dient.
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Im Schaltbild nach Fig. 2 sind gleiche Bausteine bzw.
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Baueinheiten zur Fig. 1 mit den gleichen Bezugzeichen versehen, so
der Temperaturregler R, der Überwachungskanal Ü mit Netzteil N, der Heizkreis H
und der Sicherheitsschaltkreis SS einschließlich der einzelnen Bauelemente dieser
Baueinheiten. Der Netzteil N weist einen Netztrafo Tr auf, an dessen Sekundärwicklung
W2 ein Zweiweggleichrichter G1 in Grätzschaltung angeschlossen ist. Die Mittelanzapfung
m des Trafes Tr dient als Masse-Potential. An den Ausgängen der Gleichstromdiagonalen
des Oleichrichtcrs G1 entsteht eine geglattete, stabilisierte Gleichspannung, wozu
zwischen der Plusleitung 1+ und der Minusleitung 1- einerseits sowie der Masse leitung
m andererseits Jeweils Glättungakondenaatoren C1, C2 und Widerstands-Zenerdioden-Kombinationen
Z1-R18 und Z2-R19 angeschaltet sind. Innerhalb des Reglers R stellen die Widerstände
Rl, P1, R4, R5 und R6 eine Brücken- bzw. Spannungsteilerschaltung dar, mittels welcher
eine Referenzspannung bzw. eine Sollwertspannung erzeugt wird, welch letztere durch
das Potentiometer Pl einstellbar ist. Der Shunt R3 zum Potentiometer P1 gestattet
eine Einstellung das Temperaturmeßbereiches, u.Z. mit Shunt von 0 bis 300 °C und
ohne Shurit von 50
bis 450 °C. Der Sollwert des Sollwertstellers
bzw.
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Potentiometers P1 wird über den Temperaturfühler Th und den Schutzwiderstand
R7 dem einen Elngang 3 des Meßverstärkers A1 zugeführt, während vom Widerstand R6
über Widerstand R8 das andere Ende der Vergleichsschaltung V an den enderen Eingang
2 des Meßverstärkers Al liegt. Von dem an Masse M angeschlossenen Leitungsteil 122
fUhrt die normalerweise in Sperrichtung beanspruchte Parallelschaltung Diode D und
Elko 3 zur Leitung 13. Der Meßverstärker A1 ist ein Operationsverstärker mit einem
differenziellen Eingang und einem asymmetrischen Ausgang. Der Eingang 2 liegt Uber
den schon erwähnten Schutzwiderstand R8 an Maae M und bildet somit das Bezugspotential.
Über die Widerstände R10 und Ril wird eine Gegenkopplung vom Ausgang der Schaltstufe
S1 zum Verstärkereingang 2 vorgenommen und ein PID-ähnliches Verhalten erreicht.
Die Rückfallzeit wird im wesentlichen durch den Elko C6 bestimmt. Da der Operationsverstlrker
nach einer linearen Funktion arbeitet, wird das Regelverhalten des Temperaturreglers
R (Differenz zweischen Ein- und Ausechaltpunkt) durch den Spannungsansteig an dessen
Ausgang und durch die Ladung des Kondensators C6 sowie Kondensator C7 bestimmt,
welch letzterer zwischen der Basis des dem Meßverstärker A1 nachgeschalteten Schalttransistors
T1 und Mases bzw. dem Kondensator C6 eingeschaltet ist. Der in
intregierter
Schaltkreistechnik aufbaubare Temperaturregler R hat einen sehr hohen Eingangswiderstand
von ca.
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230 X Ohm, wodurch ein Abgleich der Fühlerleitungen nicht erforderlich
ist. Dem Meßverstärker A1 ist die Schaltstufe 81 mit dem schon erwähnten Schalttransistor
T1 und dem letzteren nachgeschalteten Schalttransistor T2 mit der zugehörigen Beschaltung
zugeordnet. Al Ausgang des Schalttransistors T2 liegt das Kontakte kl aufweisende
Kammrelais Rel, wobei durch den Kontakt kl eine an der Frontplatte des Gerätes angebrachte
Signallampe L ein schaltbar ist, welche bei angezogenem Relais Rel aufleuchtet,
was gleichbedeutend ist mit dem Betriebszustand "Heizung eingeschaltet" bzw. "Istwert
kleiner als Sollwert". Auf die Beschaltungselemente der Schalttransistoren T11 T2
und des Schaitrelais Rel in Form der Widerstandskombinationen und Dioden wird vorliegend
nicht näher ein gegangen, da diese Beschaltungselemente an sich bekannter Art und
tUr du Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht von Belag sind. Erwähnt sei
lediglich, daß Kondensator C4 mit Widerstand R10 zwischen den Klemmen 1 und 8 des
Meßverstärkers A1 sowie Kondensator C5 zwischen den Kle-en 5 und 6 der Frequenzkompensation
dienen, die verhindert, daß die Reglersohaltung in Schwingung gerät.
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Durch den Kondensator C3 werden Störspannungen, die Uber das Thermoelement
Th kommen können, nufgefangen, so daß Störspitzen von außen die Funktion des gesamten
Oerltcs nicht beeinflussen. Beim Betrieb des Temperaturreglers R
wird
die durch du Thermoelement Th erzeugte aegenspannung mit der Sollspannung des Potentiometers
P1 verglichen und entsprechend ausgewertet. Bei Erreichen einer bestimmten Soll-Istwert-Differenz
bzw. bei Spannungsgleichheit schaltet der Temperaturregler R über die Schaltstufen
T1 und T2 sowie das Kammrelais Rel die Heizung ab.
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Der Überwachungskanal U ist Uber die leitungen 14 bis 19 an den Netzteil
N bzw. den Temperaturregler R angeschlossen, wobei die leitungen 17 bis 19 der Signalübertragung
dienen.
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Der Überwachungskanal U arbeitet ähnlich wie der eigentliche Meßkreis.
Die Sollwertspannung wird ebenfalls mit der Istwertspannung vergleichen und die
Spannungsdifferenz entsprechend verarbeitet. Der Istwert gelangt Uber die Leitung
18, 19, das Potentiometer P2 und die Vorwiderstände R20, R21 an die Eingangsklemmen
2' bzw. 3' des Verstärkers A2. Der letztere weist eine Gegenkopplung über Widerstand
R28 vom Ausgang 5', 6'. C9 zum Eingang 3' auf.
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Sobald beim Ausfall der Heizung und dementsprechenden Abfall der Meßstellentemperatur
die in der Vergleichsschaltung V gebildete Soll -Istwert-Spannungsdifferenz einen
im Überwachungskanal mittels des Potentiometers P2 einstellbaren Minimalwert unterschreitet,
steuert der Überwachungsverstärker A2 die Schaltstufe 82 an, die du Relais Re2 n-
Anzug bringt. Dadurch wird Untertemperatur
signalisiert. Bei Ist-Sollwertgleichheit
bzw. Oberschreitung der Untertemperatur schaltet der Überwachungskanal U ab. Im
besonderen ist mittels des Potentiometers P2 die Differenz der Untertemperatur zur
Solltemperatur im Bereich von -1 bis -15% einstellbar. Zusätzlich wäre es auch möglich
den Überwachungskanal Ü so auszulegen, daß beim Überschreiten eines vorgegebenen
Temperatursollwertes durch den Temperaturiatwort der externe Sicherheitsschaltkreis
SS zum Ansprechen gebracht wird. -Umgekehrt int beim Einechalten des Temperaturreglers
Rhie Produktionsanlage durch den Überwachungskanal Ü erst dann einschaltbar, wenn
aufgrund der durch den Regelkreis R in Gang gesetzten Heizung H der Temperatur-Istwert
in den Rogelbereich , d.h. oberhalb der mit Hilfe des Potentioesters P2 einstellbaren
Untertemperatur, gelangt. Auch hierbei könnte ein oberer Sollwert vorgesehen werden.
Die Vergleichsschaltung V ist nun weiterhin so ausgelegt, daß bei Bruch des Temperaturfühlers
Th bzw. mehrer entsprechender Temperaturfühler und dem daraus resultierenden Wegfallen
der Fühlerspannung em Eingang des Regelverstärkers A1 eine Übertemperatur vortäuschende
Regelabweichung entsteht, durch welche die Hoizung H abschaltbar ist. Bei Fühlerbruch
fällt das Potential der Leitung 13 sowie ab, daß von Masse über Diode D1 Strom zur
Leitung 13 und der Klemme 3 fließen kann, dessen Spannungsabfall die Übertemperatur
vortäuscht. Zugleich hiermit kann am Eingang 3' des Überwachungsverstärkers A2 eine
Regelabweichung
anstehen, welche zur Betätigung des externen Sicherheitsschaltkreises
85 herangezogen wird. Bei -spielsweise dadurch, daß durch Spannungsabfall am Schutzwiderstand
R7 am Eingang des Überwachungsverstärkers eine solche Untertemperatur vorgetäuscht
wird, daß letzterer anspricht.
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Erwähnt sei noch, daß mit dem Potentiometer P3 die Eingangsöffsetspannung
der Verstärker Al und A2 bis auf Null einstellbar ist, so daß Spannungen ab 1 mV
erfaßt werden können. Die zweite Leistungsschaltstufe S2 ist ein vierstufiger NF-Verstärker
mit eingebauter Triggerstufe. Beim Überwachungskanal dienen die Kondensatoren c8
und Clo zur Frequenzkompensation. Anstelle des vierstufigen NF-Verstärkers für die
Schaltstufe 2 könnte auch eine Kaskade aus zwei oder drei Schalttransistoren ähnlich
wie bei der Schaltstufe 81 eingesetzt sein. Auf die übringen Beschaltungselemente
(Widerstände und Diode) der Schaltstufe 82 sei, da rnr du Verständnis der vorliegenden
Erfindung ohne Belang, nicht näher eingegangen. Durch Verwendung von intregierten
Schaltkreisen in monolitischen Aufbau wird eine sehr hohe Funktionssicherheit des
beschriebenen Gerätes gewährleistet, da nur eine geringe Drift und geringe Offsetwerte
vorhanden sind. Die externe Frequenzskompensation garantiert einen stabilen Betrieb
unter verschiedenen Last- und Rückkoppelbedingungen in einem weiten Frequenzbereich.
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- Durch Verändern der Widerstandswerte innerhalb der Brücke kann das
Gerät 3uch Mlr andere Thermoelemente wie z.B. Ni-Cr-Ni-oder P1Rh-P1 sowie für die
Widerstände PT 100 und NTC verwendet werden.
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Ansprüche